JP5653397B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波電力を被加熱物へ照射するマイクロ波加熱装置に関し、特に、食品用パック等に収納された個食食品の加熱加工や殺菌などを行うマイクロ波加熱装置に関する。

従来、マイクロ波電力を利用して食品などの被加熱物を加熱するアプリケータとして電子レンジなどが広く知られている。このような電子レンジを用いて食品用パックに収納されている個食食品を再加熱することも広く行われている。この場合、マイクロ波照射室となる電子レンジ庫内の形状が立方体であり、且つ、電子レンジ庫内容積が個食食品のそれに対しかなり大きくなっているのが一般的である。そのため、被照射物となる個食食品は、均一にマイクロ波が照射されず、所謂、加熱ムラの問題を生じる。したがって、電子レンジでは、マイクロ波を撹乱させるスターラ（金属回転羽根）や、トレイ（受け皿：置き台）が回転するターンテーブルなどでマイクロ波照射の均一化を図っている。

また、電子レンジ庫内が大きい分、庫内壁面でのマイクロ波損失が大きくなり、結果的には、加熱効率（電子レンジ庫内へ供給したマイクロ波電力に対する食品が吸収したマイクロ波電力の比）が悪いものとなる。したがって、複数のマイクロ波発生器を用いて電子レンジ庫内を均一に照射するなどして、被加熱物の加熱ムラを少なくしたり加熱効率を向上させたりする工夫がなされている。

また、矩形導波管と円形導波管とを用いて被加熱物付近にマイクロ波を集中させ、加熱効率を向上させる技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、矩形導波管にマグネトロンを取り付け、矩形導波管から円形導波管へ伝送されたマイクロ波電力により、その円形導波管に収納された被加熱物にマイクロ波電力を集中させているので、その被加熱物を効率的に加熱することができる。

特開昭６３−２９９０８４号公報

ところが、工業用で個食食品の加熱加工や殺菌を行う場合において、マイクロ波電力を均一に照射することは当然であるが、加熱効率を最大限に向上させて被加熱物に照射することができる個食食品専用のマイクロ波加熱装置の要求が高まっている。また、マイクロ波加熱装置の信頼性の面から、マイクロ波照射室であるアプリケータ内にスターラやターンテーブルの回転機構などを不要とするマイクロ波加熱装置が要求されている。また、特許文献１に開示された技術においては、スターラやターンテーブルの回転機構を用いないで加熱効率を上げることができるが、円形導波管と相似な形状の被加熱物でない場合は、その被加熱物にマイクロ波を集中させることができない場合がある。そのような場合は加熱効率を向上させることができない。この課題は、家庭用や業務用のマイクロ波加熱装置（電子レンジ）においても同じである。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転機構を用いないで、被加熱物へ均一かつ効率よくマイクロ波を照射させることができるマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波電力を伝送する導波管と、この導波管から伝送されたマイクロ波電力を被加熱物へ均一分散させるように下面を円錐状に切り欠いた円板状であって、かつ比誘電率が１より大きいシリコーン樹脂スペーサである誘電体板、マイクロ波透過性の材質で構成され、前記被加熱物を載置する置き台、および、漏斗状に金属材料で構成されてマイクロ波を反射させるドレイン受け皿を有し、この導波管から照射されたマイクロ波電力を、この誘電体板を介して当該被加熱物へ照射させる円筒状のアプリケータとを備える構成を採っている。

本発明によれば、比誘電率が１より大きく誘電損失が小さいシリコーン樹脂スペーサである誘電体板の形状を最適化することにより、マイクロ波がシリコーン樹脂板を通過するときの波長短縮効果によってマイクロ波を屈折させて、被加熱物へマイクロ波を均一に照射させることができる。その結果、アプリケータ内にマイクロ波を散乱させるスターラや被加熱物を回転させるターンテーブルなどを設けなくても、被加熱物へマイクロ波を効率よく均一に照射させることができる。

２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を合成するＴ型導波管の構成図であり、（ａ）はＴ型導波管１の断面図、(ｂ)は（ａ）のＡ面を示し、（ｃ）は（ａ）のＢ面を示す。 図１に示すＴ型導波管１におけるＣ面の電界方向を示す図である。 本発明の実施形態に係るアプリケータの構成断面図である。 本発明による実施形態のマイクロ波加熱装置の効果を比較例と対比して実測した温度分布図であり、(ａ)は比較例の実測結果、（ｂ）は本発明による実施形態の実測結果を示す。

以下図面を参照しながら、本発明に係るマイクロ波加熱装置の実施形態について詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一要素は原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本実施形態のマイクロ波加熱装置は、一例として、Ｔ型導波管１を用いて被加熱物１２（図３参照）にマイクロ波電力を照射しているので、まずＴ型導波管１の構成について説明する。図１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を合成するＴ型導波管１の構成図であり、図１（ａ）はＴ型導波管１の断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ面を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ面を示している。図１（ａ）に示すように、Ｔ型導波管１は、主導波管１ａと副導波管１ｂが直交して構成されている。

すなわち、図１（ａ）に示すＴ型導波管１は、図１（ｂ）に示すようなＡ面の開口部の寸法が８０ｍｍ×８０ｍｍの主導波管１ａと、図１（ｃ）に示すようなＢ面の開口部の寸法が８０ｍｍ×４０ｍｍの副導波管１ｂとが直交した構成となっている。このような構成により、主導波管１ａのＡ面側から供給されたマイクロ波電力と、副導波管１ｂのＢ面側から供給されたマイクロ波電力とが、Ｔ型導波管１の内部で合成される。そして、合成されたマイクロ波電力は主導波管１ａのＣ面側に伝送されてアプリケータ１０（図３参照）へ供給される。

図２は、図１のＴ型導波管１におけるＣ面の電界方向を示す図である。すなわち、Ｔ型導波管１のＣ面で合成されたマイクロ波電力の加熱に寄与する電界方向（つまり、図１（ａ）のＣ面の電界方向）は、図２に示す通り、Ａ面側から供給されたマイクロ波電力が形成する電界方向（以下、主マイクロ波の電界方向１ａｅという）と、Ｂ面側から供給されたマイクロ波電力が形成する電界方向（以下、副マイクロ波の電界方向１ｂｅという）は、９０度の方向差を持ち、Ｃ面側からアプリケータ１０（図３参照）へ供給される。

このようにして、９０度の方向差を持つ両者のマイクロ波電界（つまり、主マイクロ波の電界方向１ａｅと副マイクロ波の電界方向１ｂｅ）は、主導波管１ａのＣ面側から図３に示すアプリケータ（マイクロ波照射室）１０内に供給される。したがって、アプリケータ１０への供給電力は、主導波管１ａを伝送したマイクロ波電力と副導波管１ｂを伝送したマイクロ波電力との和となる。このようにして、２つのマイクロ波電力が合成された高出力のマイクロ波電力をアプリケータ１０へ供給することができる。

図３は、本発明の実施形態に係るアプリケータ１０の構成断面図である。図３に示すように、アプリケータ１０は円筒型であって、加熱効率を最大化する観点から最小限の容積で構成され、その容積の内径はΦ１５０ｍｍ、高さは７５ｍｍである。このような容積の中で、金属置き台１１の上面に食品などの被加熱物１２が載置されている。

また、被加熱物１２の上部には、円錐状に切り欠いたフッ素樹脂スペーサ１３が配置されている。このフッ素樹脂スペーサ１３は、外径がΦ１５０ｍｍ、厚みが３０ｍｍであり、被加熱物１２に対向する面に円錐状の切り欠きが形成されている。この切り欠きの形状は、底面の直径がΦ１５０ｍｍ、頂部の直径がΦ２０ｍｍの円錐形状となっている。そして、Ｔ型導波管１で合成されたマイクロ波電力が、円錐状に切欠いたフッ素樹脂スペーサ１３を介して被加熱物１２に照射されるようになっている。

すなわち、Ｔ型導波管１は、円筒状のアプリケータ１０の上面側に位置し、その真下に、円錐状に切り欠いた形状のフッ素樹脂スペーサ１３が円筒状のアプリケータ１０の内面に取付けられている。

したがって、Ｔ型導波管１から伝送された９０度の電界方向差を持つ合成マイクロ波電力は、フッ素樹脂スペーサ１３を介し被加熱物１２である食品に照射される。フッ素樹脂は一般的に比誘電率εが２程度（２．４５ＧＨｚ時）であり、マイクロ波損失（ｔａｎδ）が少ないことから、マイクロ波透過材として仕切り板等の目的で一般的に使用されている。つまり、被加熱物１２から発生した水蒸気や油の蒸気が導波管内に流れ込まないように、薄い仕切り板としてフッ素樹脂が用いられている。

フッ素樹脂を通過するマイクロ波の速さは真空中の１／√εとなり、波長も真空中の波長λｏの１／√ε倍となる。つまり、マイクロ波がフッ素樹脂スペーサ１３を通過する間は、マイクロ波の波長が短縮化することから、フッ素樹脂スペーサ１３の形状を円錐状に切り欠いて最適化することにより、マイクロ波を屈折させて被加熱物１２全体へ分散させて均一に照射させることができるので、被加熱物１２に効率よくマイクロ波を照射させることが可能となる。

さらに詳しく説明すると、円錐状に切り欠いた形状のフッ素樹脂スペーサ１３は、光学系の凹レンズと同様の屈折作用を呈するので、Ｔ型導波管１からアプリケータ１０の内部へ導入された合成マイクロ波は、フッ素樹脂スペーサ１３によって屈折し、被加熱物１２全体に分散しながら、被加熱物１２のエリアへ集中して照射させることができる。したがって、被加熱物１２に比べてアプリケータ１０の容積が大きくても、フッ素樹脂スペーサ１３の形状を被加熱物１２の形状に合わせて最適化すれば、マイクロ波を被加熱物１２へ集中させ、かつ被加熱物１２に均一に照射させることができるので、被加熱物１２を効率的に加熱することができる。

なお、金属板やパンチングメタルからなる金属置き台１１の下部には、ドレインを受けるためのドレイン受け皿１４及びドレインを排出するためのドレインピット１５が設けられている。金属置き台１１の代わりにマイクロ波透過性の材質で置き台を構成し、このドレイン受け皿１４を金属材料で構成すれば、上部から照射されたマイクロ波をドレイン受け皿１４で反射させて被加熱物１２を照射させることができる。これによって、被加熱物１２をさらに効率よく加熱することができる。

以上述べたように、本発明のマイクロ波加熱装置によれば、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂板の形状を最適化することにより、マイクロ波がフッ素樹脂板を出入りするときマイクロ波を屈折させて、被加熱物１２へマイクロ波を均一に照射させることができる。その結果、アプリケータ１０内にマイクロ波を散乱させるスターラや被照射物を回転させるターンテーブルなどがなくても、被加熱物１２へマイクロ波を均一に照射させることができる。補足すると、マイクロ波を被加熱物１２に選択的に照射でき、かつ、選択的にマイクロ波が照射された被加熱物１２においては、均一な加熱ができる。

図４は、本発明による実施形態のマイクロ波加熱装置の効果を比較例と対比して実測した温度分布図であり、図４(ａ)は比較例の実測結果、図４（ｂ）は本実施形態の実測結果を示している。すなわち、この図は、図３に示す円錐状に切り欠いたフッ素樹脂スペーサ１３の有無によって、丸型パックに収納された食品をマイクロ波加熱した場合の温度分布を赤外線放射温度計で実測したものであり、図４（ａ）はフッ素樹脂スペーサ１３がない場合、図４（ｂ）はフッ素樹脂スペーサ１３がある場合の温度分布を示したものである。

図４から明らかなように、フッ素樹脂スペーサ１３がある場合、図４（ｂ）の方が被加熱物１２に均一にマイクロ波が照射され、かつ加熱温度も高くなっていることがわかる。つまり、本発明によるマイクロ波加熱装置を用いることにより、被加熱物１２の加熱効率が高くなり、かつ、被加熱物１２へ均一に照射させることができる。

すなわち、比誘電率が１より大きく、誘電損失（ｔａｎδ）が小さい、誘電体に最適化した切り欠きを設けたスペーサを用いれば、上記実施形態と同様の作用効果を呈することができる。このようにして、マイクロ波を被加熱物１２へ均一に照射すれば、マイクロ波撹乱用の金属回転羽（スターラ）や被照射物を回転させるターンテーブルを用いる必要はなくなるので、回転機構が不要になってマイクロ波加熱装置の信頼性を一段と高めることができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、テフロン（登録商標）など（フッ素樹脂）に限ることはなく、円錐状に切り欠いたシリコーン樹脂製スペーサを介在させても、被加熱物１２にマイクロ波を均一に照射させることができる。

なお、外環形状がリング状を呈する食品や、トレイに盛られた状態で中央部が窪んだ食品の場合は、中央部にマイクロ波を集中的に照射するよりも、周囲にマイクロ波を照射した方が良好な加熱（加熱に要する時間の短縮）ができる。そのような場合は、スペーサの形状を適宜改定して、マイクロ波が被加熱物１２の中央よりも周囲に多く照射されるようにする。
あるいは、中央部が盛り上がった食品については、中央部の加熱が遅れる。そのような場合には、スペーサの形状を適宜改定して、マイクロ波が被加熱物１２の中央部に多く照射されるようにする。

また、アプリケータ１０内を、スペーサ１３などを用いて密閉加圧可能にすることで、食品からの水分の損失防止と、アプリケータ１０内に充満させたスチームによる被加熱物１２の均一な加熱とができる。

また、スペーサ１３を取り替え可能にしておくことで、単にスペーサ１３を取り替えるだけで、マイクロ波加熱装置の加熱特性を一変させることができる。
このような対処で、食品の形状や目的に応じた加熱ができる。

本発明によれば、被加熱物の加熱効率が高く、かつ、被加熱物への均一照射ができるので、個食食品の加熱加工や殺菌などを行うマイクロ波加熱装置などに有効に利用することができる。

１ Ｔ型導波管
１ａ 主導波管
１ｂ 副導波管
１ａｅ 主マイクロ波の電界方向
１ｂｅ 副マイクロ波の電界方向
１０ アプリケータ（マイクロ波照射室）
１１ 置き台
１２ 被加熱物（食品）
１３ フッ素樹脂スペーサ

Claims (1)

1. マイクロ波電力を伝送する導波管と、
   前記導波管から伝送されたマイクロ波電力を被加熱物へ均一分散させるように下面を円錐状に切り欠いた形状であって、かつ比誘電率が１より大きいシリコーン樹脂スペーサである誘電体板、マイクロ波透過性の材質で構成され、前記被加熱物を載置する置き台、および、漏斗状に金属材料で構成されてマイクロ波を反射させるドレイン受け皿を有し、前記導波管から照射されたマイクロ波電力を、該誘電体板を介して当該被加熱物へ照射させるアプリケータと、
   を備えることを特徴とするマイクロ波加熱装置。